“問題猜想，證據(jù)推理”彰顯化學魅力
——苯的教學設(shè)計

卓金鎮(zhèn)張禮聰楊亭亭

（玉環(huán)中學浙江玉環(huán)317600）

“問題猜想，證據(jù)推理”彰顯化學魅力
——苯的教學設(shè)計

卓金鎮(zhèn)張禮聰*楊亭亭

（玉環(huán)中學浙江玉環(huán)317600）

“證據(jù)推理”是化學素養(yǎng)的思維核心。以問題為導向，引發(fā)學生猜想，將“證據(jù)推理”融入高中化學教學，可積極地促進學生化學核心素養(yǎng)的發(fā)展。文章結(jié)合苯的教學實踐案例，嘗試在問題解決的驅(qū)動下，培養(yǎng)學生證據(jù)查找，推理分析，實驗證實等方面的能力。

化學核心素養(yǎng)；化學教學；證據(jù);推理

一、問題提出

深化課程改革提出了發(fā)展學生“核心素養(yǎng)”的教學理念?；瘜W學科作為高中課程體系的重要組成部分，培養(yǎng)學生具有化學學科特質(zhì)的關(guān)鍵能力和品格的高中化學核心素養(yǎng)，成為學生核心素養(yǎng)發(fā)展不可缺少的組成部分。高中化學核心素養(yǎng)可概括為：“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”、“證據(jù)推理與模型認知”、“實驗探究與創(chuàng)新意識”、“科學精神與社會責任”等五項內(nèi)容。如何在課堂中堅定地運用并發(fā)揮化學學科的特點和功能，將這些核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)化為一種可操作的方式落實在教學環(huán)節(jié)中，在促進學生知識掌握的基礎(chǔ)上形成素養(yǎng)，發(fā)揮學科應有的、獨特的育人功能，成為深化課改中廣大一線教師面臨的新考驗、新任務。

二、設(shè)計思路

如何在課堂中踐行“化學核心素養(yǎng)”的教學？在引導學生了解學科知識的發(fā)生與發(fā)展過程中掌握必要的基礎(chǔ)知識；通過學習等實踐活動，掌握學習化學的一般方法，形成具備運用化學知識解決實際問題的一定能力；通過知識積累構(gòu)建學科基本思想和觀念，構(gòu)筑起學科基本認識，是我們課堂教學追求的目標。

科學探究的本質(zhì)就是倡導“以事實為證據(jù)，對發(fā)現(xiàn)問題進行解釋”。問題解決中的探究論證就是尋找“證據(jù)”進行邏輯推理的過程。作為科學的化學，無論是元素化合物性質(zhì)還是概念原理學習，過程中都包含著一個重要要素——“證據(jù)推理”。讓“問題”成為學生思維發(fā)展的起點和火花，基于問題開展“猜想假設(shè)”，對“猜想假說”進行正、偽實踐證明或科學論證，然后依據(jù)“證據(jù)推理”評判修正原有見解，應是化學課堂促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展的“催化劑”。因此“問題猜想——證據(jù)查找——推理分析”意識和行為的培養(yǎng)是落實化學核心素養(yǎng)教學的一個重要舉措。

基于上述教學理念，課時教學設(shè)計圍繞“苯的結(jié)構(gòu)究竟怎樣？苯結(jié)構(gòu)是怎樣被人類認識？苯應該有哪些性質(zhì)？苯是如何被人類獲取和應用？”四個核心問題解決展開。具體過程：首先以“苯的發(fā)現(xiàn)史”為情境，提出問題——推理分析——實驗驗證，通過定性、定量相結(jié)合方式，組織學生活動確定苯的分子式。其次利用學生已有碳原子的成鍵知識，學生猜想——結(jié)構(gòu)推理——實驗證實，發(fā)現(xiàn)苯中不存在碳碳雙鍵和叁鍵，制造認知沖突。接著教師及時引入凱庫勒等化學家對苯的結(jié)構(gòu)猜想和研究的史話、化學鍵理論等證據(jù)，頭腦風暴，幫助學生構(gòu)建清晰的苯結(jié)構(gòu)。然后依據(jù)結(jié)構(gòu)——猜想性質(zhì)——事實呈現(xiàn)，鞏固理解苯的結(jié)構(gòu)認識，理解掌握苯的性質(zhì)。最后結(jié)合學生課前任務，采用小組匯報的方式，實現(xiàn)苯的用途和來源的了解。整個教學發(fā)揮了學生學習的主動性，拓展了學生的視野，凸顯了有機學習的一般方法——“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，實現(xiàn)了“問題猜想——證據(jù)推理——素養(yǎng)發(fā)展”融合的整體設(shè)計思路。

三、教學過程

1.史話點題，探究成分

【情境導入】19世紀，歐洲許多國家使用煤氣照明。英國科學家法拉第花了整整五年時間，于1825年從生產(chǎn)煤氣剩余液體中分離出一種無色油狀新物質(zhì)。后經(jīng)研究確定該液體物質(zhì)僅由C、H兩種元素，且含碳質(zhì)量分數(shù)為92.3%,他稱該無色油狀物質(zhì)為“氫的重碳化合物”。

【實物展示】教師展示與法拉第發(fā)現(xiàn)成分相同的液體——“氫的重碳化合物”。

【提出問題】

①若你是法拉第，說說你確定新物質(zhì)只含C、H元素的實驗方法。

②簡要描述你實驗方案的操作過程。

【學生歸納】

①采用定量燃燒方法確定物質(zhì)的元素組成。

②定量取樣→充分燃燒→濃硫酸吸水（測量前后質(zhì)量變化）→計算得出m（H）→堿石灰吸收CO2（測量前后的質(zhì)量）→計算得出m（C）→根據(jù)質(zhì)量守恒分析：m（C）+m（H）=m（試樣）。

【史話支持】介紹“李比希燃燒法”測定有機化合物中碳、氫元素方法及貢獻。

【問題思考】若將該液體在空氣中燃燒，可能會有怎樣的現(xiàn)象？說明理由。

【學生猜想】火焰明亮，冒黑煙；因為從組成信息可知其含碳量高，且空氣中氧氣濃度只有21%，易不完全燃燒生成炭。

【學生補充】它燃燒應該有點類似于乙炔，含碳量高，有大量黑煙。

【實驗證據(jù)】取少量液體，滴于粉筆上，用酒精燈點燃，觀察現(xiàn)象。

【定量計算】取3.9g液體樣品充分燃燒，將生成的氣體依次通過濃硫酸、堿石灰，測得分別增重2.7g和13.2g。實驗數(shù)據(jù)能告訴我們哪些結(jié)論？

【學生匯報】學生計算后結(jié)論：

①樣品僅含C、H兩種元素；

②樣品物質(zhì)碳、氫原子個數(shù)比為1:1。

【提出問題】要確定該物質(zhì)的分子式還需要什么數(shù)據(jù)？

【史話支持】1834年，德國化學家米希爾希里通過實驗方法制得這種油狀物質(zhì)，并把其命名為“苯”。隨后法國化學家日拉爾等人確定苯的相對分子質(zhì)量為78，密度是同溫同壓下乙炔的3倍。根據(jù)上述信息，計算確定苯的分子式。（C6H6）

（設(shè)計意圖：教學從“化學史話——氫的重碳化合物”發(fā)現(xiàn)切入，預置了“包袱”性問題：該新物質(zhì)組成怎樣？激發(fā)學生了解其成分的好奇心。接著教師通過問題引導，學生方案假設(shè)、實驗探究，史話信息支持，將苯組成的確定“融合在科學家對苯的探索歷程中，融合于學生問題解決推理之中”。）

2.結(jié)構(gòu)猜想，證據(jù)推理

【提出問題】依據(jù)苯的分子式（C6H6），請大家猜想其可能具有的結(jié)構(gòu)？

【學生猜想】學生猜想苯結(jié)構(gòu)結(jié)果如下：

CH2=CH-CH=CH-CH=CH2，

CH3-C≡C-C≡C-CH3，CH2=CH-C≡C-CH=CH2，CH≡C-CH=CH-CH=CH2等。

【師生評價】所寫的結(jié)構(gòu)符合C6H6分子式；符合C原子四價原則（四個價鍵）；

書寫結(jié)構(gòu)共同特點：均含有碳碳雙鍵或碳碳叁鍵（與學生剛學習烯、炔有關(guān)）。

【問題討論】若用實驗證明我們的猜想，你想到哪些實驗方案？并說說理由。

【方案確定】與高錳酸鉀、溴水進行反應。

因為碳碳雙鍵或三鍵能與酸性高錳酸鉀、溴水反應，能夠使溶液發(fā)生褪色現(xiàn)象。

【實驗證據(jù)】苯與溴水、酸性高錳酸鉀溶液反應。記錄實驗現(xiàn)象，匯報實驗結(jié)果。

【學生匯報】現(xiàn)象：

①溶液分層；

②溴水褪色，上次呈橙紅色；溴被萃取，未發(fā)生化學反應；

③酸性的高錳酸鉀不褪色，上層仍然無色；

結(jié)論：苯中不含碳碳雙鍵和叁鍵。

【問題思考】上述實驗過程還能體現(xiàn)苯的哪些性質(zhì)？

【學生匯報】苯有特殊的氣味，苯不溶于水；苯的密度比水小。

【問題質(zhì)疑】我們猜想被否定，苯的結(jié)構(gòu)究竟怎樣呢？

【科學史話】1865年，德國化學家凱庫勒一直思考破解苯的結(jié)構(gòu)難題。一次睡夢中他“夢見”碳原子在自己的面前排成“蛇”形，原子“蛇”的頭咬住了自己的尾巴，形成一個環(huán)狀。凱庫勒受此啟發(fā)，畫出了苯的封閉式結(jié)構(gòu)式。最后修正為六角環(huán)狀的苯分子結(jié)構(gòu)（展示本單雙建交替結(jié)構(gòu)模型）。

圖1

【問題探討】你認為凱庫勒的苯結(jié)構(gòu)與事實是否相符？為什么？

【學生回答】實驗告訴我們，苯分子中不應該存在碳碳雙鍵，凱庫勒的苯結(jié)構(gòu)猜想存在缺陷。

（設(shè)計意圖：苯結(jié)構(gòu)的認識是本課時教學重點之一，也是苯性質(zhì)學習的前提與基石。利用學生已有基礎(chǔ)，猜想苯的結(jié)構(gòu)是課堂教學中學生思維發(fā)展的生長點；是學生開展實驗探究，“證實和證偽”苯結(jié)構(gòu)猜想的依據(jù)；是重新審視苯的“凱庫勒”結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生進一步認知沖突的支點。）

3.結(jié)構(gòu)分析，性質(zhì)猜想

【證據(jù)推理】

①介紹凱庫勒基于實驗事實，再次提出“擺動雙鍵學說”，修正完善苯結(jié)構(gòu)原先假說；

②介紹其他科學家對苯結(jié)構(gòu)的認識：杜瓦（1866-1867提出）的“雙環(huán)結(jié)構(gòu)”；拉敦保格（1869提出）“棱形結(jié)構(gòu)”；阿姆斯特朗（1887-1888提出）“向心結(jié)構(gòu)”；悌勒（1899提出）“余價結(jié)構(gòu)”等。

【推理評價】你認為哪些科學家的觀點更接近苯的真實結(jié)構(gòu)？說說你的看法。

【數(shù)據(jù)支持】科學實驗技術(shù)的發(fā)展為人類認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)。1935年，科學家詹斯經(jīng)X射線衍射法，證實苯分子結(jié)構(gòu)是平面正六邊形，并測得苯分子中的碳碳鍵的鍵長介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間。

表1 碳碳鍵鍵長數(shù)據(jù)

【問題質(zhì)疑】苯的結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？

【證據(jù)認識】

①理論派：分子軌道理論對苯結(jié)構(gòu)的認識。根據(jù)碳原子的電子成鍵特點，每個碳原子間都有三個電子一一共用形成6個σ鍵，6個碳余出的6個電子形成一個6個碳原子共用的特殊化學鍵，稱為π鍵。苯分子結(jié)構(gòu)中的碳碳鍵完全相同，是介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間的一種特殊的鍵。

②實踐派：氫化熱測定對苯結(jié)構(gòu)的認識。

表2 幾種物質(zhì)氫化熱數(shù)據(jù)

【學生歸納】苯不存在獨立的單鍵和雙鍵。（不存在單雙建交替結(jié)構(gòu)）

【事實拓展】2009年IBM科學家團隊用原子力顯微鏡給單個并五苯分子拍照（圖2）。2013年，《sci?ence》雜志刊登了加州大學化學家Fischer等通過原子力顯微鏡給亞苯基-1,2-次乙炔基低聚物拍照的照片（圖3），讓我們直觀和清晰地看到了苯環(huán)平面正六邊形的結(jié)構(gòu)。

圖2

圖3

【提出問題】

②基于上述苯結(jié)構(gòu)認識，你認為苯可能具有哪些化學性質(zhì)？

【小組討論】

①同一種物質(zhì)。

②苯分子里6個C原子之間的鍵完全相同，鍵角為120°，是一種介于單鍵和雙鍵之間的特殊（獨特）的鍵。結(jié)構(gòu)獨特決定了其性質(zhì)的特殊，苯應既有類似烯烴的性質(zhì)（加成反應）也有烷烴的性質(zhì)（取代反應），當然能夠燃燒氧化。

③總體來說苯應該是難氧化、加成，易發(fā)生取代的特點。

【事實支持】

事實1：1mol苯在催化劑及高溫高壓條件下，最多可以與3 mol H2發(fā)生加成反應生成環(huán)己烷：

事實2：苯與液溴在鐵粉存在時，常溫下發(fā)生取代反應生成溴苯：

（設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)以苯的“凱庫勒”結(jié)構(gòu)局限為思考點，激起學生：“苯的結(jié)構(gòu)究竟怎樣？”強烈心向；然后將科學家們“基于實驗事實”對苯結(jié)構(gòu)的解釋歷程，與學生“內(nèi)心焦慮”對接，從理論和事實層面引導、啟發(fā)學生，使學生對苯結(jié)構(gòu)認識由模糊、抽象逐漸走向清晰、具體；接著提出“苯應該具有怎樣的性質(zhì)？”問題，將解釋權(quán)還給學生，苯性質(zhì)理解水到渠成，教學凸顯證據(jù)推理意識培養(yǎng)。）

4.價值認識，拓寬視野

【任務問題】苯有哪些用途呢？（課前布置任務）

【小組匯報】苯有非常廣泛用途，是一種重要的化工原料。

①苯是工業(yè)上一種常用的溶劑，可用于金屬脫脂及萃取劑。

②苯有減輕爆震的作用，可作為汽油添加劑。

③苯可以合成一系列苯的衍生物：氯苯、溴苯、苯磺酸、硝基苯等。

④苯經(jīng)取代反應、加成反應、氧化反應等生成的一系列化合物可作為生產(chǎn)塑料、橡膠、纖維、染料、去污劑、殺蟲劑等的原料。

【問題解決】硝基苯是合成染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥的重要中間體，它是苯在濃硫酸催化下與濃硝酸發(fā)生反應生成。請寫出該反應的化學方程式，并說出該反應的反應類型。

該反應為取代反應。

【性質(zhì)拓展】工業(yè)上大約10%的苯用于制造苯系中間體，如乙苯（乙基苯）等。我國化工業(yè)采用“分子篩固體酸催化工藝”，以苯與乙烯為原料制成乙苯，再由乙苯生產(chǎn)制塑料的聚苯乙烯。

【問題任務】寫出苯與乙烯制備乙苯的化學方程式。

【問題提出】苯具有廣泛的用途，人類主要通過何種方式獲得它？

【學生匯報】課前布置任務，學生小組匯報內(nèi)容概括如下：

①傳統(tǒng)來源：煤干餾得到的煤焦油，再分餾煤焦油獲得苯。苯還是一種鋼鐵工業(yè)焦化過程中的副產(chǎn)物。

②現(xiàn)代來源：現(xiàn)在全球大部分的苯來源于石油化工。工業(yè)上生產(chǎn)苯最重要的三種過程是催化重整、甲苯加氫脫烷基化和蒸汽裂化。

【自主學習】煤的綜合利用：煤的氣化、液化和干餾。

（設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)是苯的用途及來源的了解，具體教學舉措是課前布置“苯有哪些用途？”課中指導學生閱讀“煤的綜合利用”任務形式解決，來拓展學生的知識視野。教學環(huán)節(jié)重點仍然是苯性質(zhì)知識與用途有機融合的問題解決應用。）

四、教后反思

1.借用史料，創(chuàng)境質(zhì)疑，滲透核心素養(yǎng)教育

本課時設(shè)計的亮點是引入苯結(jié)構(gòu)及性質(zhì)相關(guān)化學史素材。在情境問題解決中拉近學生與科學家的距離，嘗試著讓學生沿著科學家的足跡體驗探索過程的艱辛，追尋科學家對苯結(jié)構(gòu)性質(zhì)研究的思維歷程。教學中重溫了問題猜想——證據(jù)推理——理論假設(shè)——實驗證實研究思路，凸顯了化學研究中實驗手段的重要作用及科學真理的相對性，更好地幫助學生建立科學本質(zhì)的理解。滲透化學史教學，將濃縮的科學知識在教學中“展開和稀釋”，可促進學生化學基本觀念的建構(gòu)和心智模型的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)了學生的問題意識，激發(fā)了科學思維，提升了學生的創(chuàng)新能力，實現(xiàn)“化學認識”“化學觀念”“化學運用”等學科思想的培養(yǎng)，成就了核心素養(yǎng)的發(fā)展。

2.問題猜想，證據(jù)推理，促進核心素養(yǎng)發(fā)展

本節(jié)課以“苯的分子組成推導——苯的結(jié)構(gòu)猜想——苯的性質(zhì)推測”為主線。在教學過程中教師通過問題質(zhì)疑，驅(qū)動學生主動猜想；推理預測，激發(fā)學生尋找證據(jù)；動手實驗，鼓勵學生合作探究；收集證據(jù)（相關(guān)數(shù)據(jù)）和呈現(xiàn)性質(zhì)事實，培養(yǎng)學生獲取、整合信息能力等方式，幫助學生搭建苯分子結(jié)構(gòu)認識的證據(jù)平臺，得出了苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，確定了苯的分子結(jié)構(gòu)中的碳碳鍵完全相同——是介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間的一種獨特鍵。此過程中學生經(jīng)歷的是基于“證據(jù)推理”的探究學習，是一種有“根與源”的探究。此“根與源”可以生長出能力和方法，傳承科學態(tài)度和科學精神。“問題假設(shè)，證據(jù)推理”不僅僅是指學生對證據(jù)的尊重，還包括尋找證據(jù)能力和解釋證據(jù)能力的提升。讓問題——證據(jù)成為化學課堂思考的激發(fā)點，學生發(fā)展的生長點，學習方式和學習行為培養(yǎng)的路徑，化學課堂才能引導學生建立和發(fā)展化學基本理解、基本觀念，才能促進化學核心素養(yǎng)的發(fā)展。

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1008-0546（2017）09-0054-04

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2017.09.016

*本文指導教師，通訊聯(lián)系人，郵箱：laoshi2005.10.16@163.com